ساخت نانوگیتی که می‌تواند نقش حسگر یا ممریستور را ایفا کند

این نانوگیت از یک حفره بسیار کوچک در یک غشای نیترید سیلیکون تشکیل شده است که در یک سلول جریان روی تراشه قرار گرفته و محلول‌هایی در دو طرف غشاء تزریق می‌شوند.

با اعمال ولتاژ به سلول جریان از طریق الکترودهای روی تراشه، جریان یونی که نشان‌دهنده انتقال یون‌ها از میان حفره است، اندازه‌گیری می‌شود. این جریان یونی به یون‌های موجود در محلول‌های دو طرف غشاء حساس است و بنابراین، جریان یون‌ها و رسوب یا انحلال ترکیبات فلزی در حفره را می‌توان به دقت کنترل کرد.

مکاسو تسوتسویی، نویسنده اصلی این مطالعه، توضیح می‌دهد: رسوب‌ها تحت ولتاژ منفی رشد کرده و حفره را می‌بندند که باعث کاهش جریان یونی می‌شود. با معکوس کردن قطبیت ولتاژ، رسوب‌ها حل شده و حفره دوباره باز می‌شود.

در شرایط خاص، تشکیل رسوبی که حفره را مسدود می‌کند، بالاترین نسبت یکسوکنندگی (rectification ratio) را ایجاد می‌کند که معیاری برای تمایل یون‌ها به حرکت در یک جهت است. این بالاترین نسبت گزارش‌شده تاکنون برای یک دستگاه نانوسیالی است.

علاوه بر عملکرد به عنوان یکسوکننده، این سیستم می‌تواند به عنوان ممریستور (memristor) نیز عمل کند؛ یعنی اثر حافظه‌ای در رابطه بین جریان و ولتاژ مشاهده می‌شود. این رفتار ممریستوری ناشی از رسوب و انحلال متوالی مواد در حفره است.

همچنین، واکنش‌های درون حفره را می‌توان برای تشخیص مولکول‌های زیستی تنظیم کرد. این قابلیت با استفاده از DNA نشان داده شده است، به‌طوری که سیستم سیگنال‌های خروجی متمایزی را هنگام عبور مولکول‌های DNA از حفره نشان می‌دهد.

توموجی کاوایی، نویسنده ارشد این مطالعه، می‌گوید: توانایی کنترل دقیق اندازه حفره با استفاده از ولتاژ اعمالی، امکان تنظیم منفذ برای آنالیت‌های خاص را بلافاصله قبل از انجام اندازه‌گیری‌ها فراهم می‌کند. ما همچنین پیش‌بینی می‌کنیم که این رویکرد می‌تواند برای توسعه سیستم‌های واکنشی به منظور دستیابی به ترکیبات شیمیایی جدید استفاده شود.

استفاده از غشایی با یک حفره کنترل‌شده در دستگاه‌های الکتروشیمیایی نانوسیالی، رویکردی همه‌کاره است که می‌تواند برای کاربردهای خاص از جمله حسگری، واکنش‌های شیمیایی و محاسبات نورومورفیک (شبیه‌سازی مغز) تنظیم شود.

به نقل از ستاد نانو، نتایج این تحقیق در نشریه Nature Communications منتشر شده است و می‌تواند راه را برای توسعه فناوری‌های نوین در حوزه‌های مختلف علمی و صنعتی هموار کند.